基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟

为探索轻骨料混凝土力学性能及破坏规律,采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由球形轻骨料颗粒与砂浆基质组成的两相非均质复合材料,建立三维随机骨料模型,模拟轻骨料混凝土单轴抗压破坏过程,研究分析加载端面约束效应对其裂纹扩展及材料力学性能的影响。研究结果表明：(1)与普通混凝土相比,轻骨料混凝土压缩破坏时,裂纹最先发生在轻骨料处,且裂纹会直接贯穿轻骨料进行延伸;(2)加载端面无约束试件最终形成轴向劈裂破坏,有约束试件最终形成倒锥形破坏;(3)加载端面无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低了29.6%、45.5%。该模型及模拟结果为传统宏观试验的不足提供了有效补充。     

混凝土劈裂抗拉力学性能的细观数值研究

采用随机骨料模型模拟混凝土的细观结构,在细观层次上将混凝土看成是由硬化水泥砂浆体、粗骨料颗粒及二者间的黏结带构成的三相非均质复合材料。利用有限元方法数值模拟混凝土试件的细观损伤断裂和劈裂抗拉,并对其劈裂抗拉破坏进行了研究。结果表明:骨料与砂浆的界面是混凝土劈裂抗拉破坏的薄弱环节,所采用的数值模拟计算方法基本可行。     

混凝土圆柱体试件劈拉性能数值模拟

为从细观层次上研究混凝土的劈拉力学性能,运用不同的三维随机骨料模型模拟混凝土中粗骨料,利用非线性有限元方法对混凝土劈拉细观损伤断裂进行数值模拟。结果表明:裂纹最先起裂于界面,随后扩展至砂浆直至整个试件断裂破坏,数值分析结果与试验结果基本吻合,所采用的数值分析方法在模拟混凝土劈拉力学性能时具有较高的可靠性。     

三级配混凝土劈拉强度二维细观数值模拟

为从细观结构上研究混凝土劈裂抗拉强度,通过自编程序建立混凝土细观模型,采用混凝土损伤塑性模型描述细观各相材料的损伤演化。利用有限元技术数值模拟三级配混凝土试件的细观损伤断裂和劈裂抗拉强度,探讨了不同骨料分布、骨料形状、垫条宽度及界面厚度对劈裂抗拉强度的影响。结果表明:不同骨料分布和骨料形状对劈拉极限强度略有影响,但数值模拟结果均在试验统计范围内,且与文献资料中给定的试验结果相符。按照现行试验规程选取垫条宽度时,可以有效地缓解加载部位应力集中现象,使劈拉强度接近真实混凝土强度。骨料粘结界面厚度越小,混凝土劈拉极限强度越高。     

随机骨料模型形态对大坝混凝土弯拉强度的影响

建立反映混凝土实际骨料级配、含量及其形态的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础.球形骨料模型和基于瓦拉文公式生成的圆形骨料模型基本上能够接近卵石、砾石等球状或浑圆状的骨料,但与一般碎石骨料的形态差异较大.本文分别采用随机圆形骨料、球骨料与多边形、多面体骨料模型,通过对全级配大坝混凝土试件弯拉破坏过程的细观数值模拟,对比分析了不同骨料模型形态对计算结果的影响,探讨了用球形骨料或圆形骨料简化实际碎石骨料的有效性.     

环境因素对混凝土强度特性的影响

通过对哑铃形混凝土试件和立方体试件进行轴心抗拉、轴心抗压、劈裂拉伸试验,研究了混凝土在不同温度、湿度条件下的力学性能,并从微观角度指出混凝土内部孔隙中的自由水是引起混凝土力学特性变化的重要因素。试验分析表明：混凝土在低温下其轴心抗压强度、轴心抗拉强度和劈拉强度与在室温下相比有所提高,而在饱和条件下却降低了;饱和混凝土在低温条件下的强度有较大幅度提高。     

碾压混凝土细观结构力学性能的数值模拟

本文在细观层次上将碾压混凝土看成是由硬化水泥粉煤灰砂浆体、粗骨料颗粒及二者间的粘结带构成的两相非均质复合材料，以随机骨料模型代表碾压混凝土的细观结构，采用有限元技术模拟了劈拉试件的开裂过程，所得碾压混凝土的劈拉强度与试验结果基本吻合。为碾压混凝土破坏机理的研究、碾压混凝土力学性能的数值模拟提供了新的技术途径。     

基于分形维的混凝土裂纹扩展及损伤演化过程研究

混凝土材料破坏过程中裂纹的演化具有随机无规律的特点,而外界条件的复杂性和混凝土自身的非线性使得裂纹的动态演化规律研究十分困难。为定量研究混凝土受力过程中裂纹及损伤的演变过程,本文在假定混凝土是由骨料、砂浆及两者之间的界面组成的三相复合材料基础上,建立了细观混凝土力学模型,提出一种基于裂纹分形维的损伤变量计算方法,对多组混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行损伤数值研究,利用分形维对混凝土开裂全过程中的裂纹分布进行表征。研究表明:细观模拟的裂纹形态与试验结果相符;裂纹分形维能够更好地反映混凝土材料损伤的变化过程,可以定量描述材料损伤演化的特性;发现了混凝土从"均匀"损伤至局部破坏的临界点;细观模拟得到的应力-应变曲线、裂纹分形维曲线、损伤演化曲线受网格尺寸的影响很小;随着混凝土试件骨料级配数的增加,骨料颗粒和界面减少,整体耗能降低,应力峰值和裂纹分形维均减小。此外,本文建议应力峰值点后的裂纹分形维曲线的突变点为混凝土材料从"均匀"损伤进入局部破坏的临界点,是损伤和断裂的分界点,相应的损伤值约为0.8,该值可作为混凝土出现宏观裂纹的损伤阈值。本文研究加深了人们对混凝土破坏机理的认识。     

三级配混凝土二维随机多边形骨料模型数值模拟

为了研究混凝土的细观力学性能,利用MATLAB自编程序建立混凝土多边形随机骨料模型,采用最大限定边长和最小限定边长控制多边形骨料生成,并将随机骨料模型导入Comsol软件,建立混凝土细观模型,最后对三级配混凝土轴拉破坏进行数值模拟分析。分析结果表明,该混凝土细观模型算法合理可靠、简单易行,数值计算结果与宏观混凝土轴拉试验结果相符。可为混凝土的非线性有限元分析及力学性能试验改进提供理论依据。     

水工全级配与湿筛混凝土强度关系的研究

在分析总结现有试验结果和已有混凝土尺寸效应模型的基础上,认为影响全级配和湿筛混凝土强度的主要因素是控制性裂纹的长度,并从脆性材料细观破坏机理出发,分析了混凝土在轴拉、劈拉和轴压荷载下的破坏模式,得到了不同形式荷载下的混凝土内控制性裂纹长度,研究了最大骨料粒径对混凝土强度的影响规律。研究表明,随着最大骨料粒径的增加,混凝...     

基于ABAQUS的再生混凝土塑性损伤性能

为了探究再生混凝土塑性损伤性能,结合Sidoroff能量等价原理,研究了CDP模型的塑性损伤因子、非弹性应变、开裂应变等关键参数,构建了基于随机多边形骨料、老砂浆、新砂浆、骨料-老砂浆界面、老-新砂浆界面、骨料-新砂浆界面的再生混凝土细观结构模型,研究了轴向压位移和拉位移作用下再生混凝土的损伤开展过程、各向应力水平、破坏形态、损伤值等关键力学性能,并将结果与试验结果进行了对比分析。研究表明:基于能量等价原理的损伤因子适用于ABAQUS建模,该方法简洁、收敛性好。再生混凝土受压损伤破坏云图呈“V”形,受拉损伤破坏云图呈“一”形,其受拉损伤和受压损伤均已达到0.956,模拟计算结果与试验结果吻合较好,表明基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型真实,计算方法合理。     

堆石混凝土劈裂抗拉破坏过程中声发射特征分析

【目的】通过研究堆石混凝土(RFC)和自密实混凝土(SCC)在劈裂抗拉破坏过程中产生的声发射信号,并进一步确定最终的裂缝形态,有助于深入了解RFC和SCC的劈裂破坏特征,从而确保结构的可靠性和安全性。【方法】制作了边长为600 mm的RFC和SCC立方体试件,研究了RFC和SCC在劈裂抗拉破坏过程中声发射参数(振铃计数和累计振铃计数)与位移荷载曲线的关系;利用声发射信号的统计方法(RA和AF)分析确定了RFC和SCC裂纹演化特征;基于RA-AF值的混合高斯模型(GMM)辨识了劈裂抗拉破坏过程中RFC和SCC的开裂模式(拉伸型开裂或剪切型开裂)。【结果】结果显示：在劈裂破坏过程中,RFC声发射振铃计数分布不均,呈现分段式变化特点,累计振铃计数呈现明显阶梯状上升,SCC声发射振铃计数分布均匀,累计振铃计数平缓上升;RFC和SCC的拉伸型裂纹区域对应RA-AF数据点向AF轴靠拢,剪切型裂纹区域对应RA-AF数据点向RA轴靠拢,均表现出明显的原点集中现象。【结论】结果表明：(1)RFC和SCC劈裂抗拉破坏强度分别为其立方体抗压强度的0.065、0.067;(2)在劈裂抗拉破坏过程中,RFC的破...     

混凝土三维细观力学模型分析

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接影响,选择合适的骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提,在三维随机凸多面体骨料模型的基础上选择合适的试件模型并进行有限元剖分,利用并行计算技术分别对湿筛混凝土试件三维球形骨料和凸多面体骨料细观模型进行了静载弯拉破坏数值模拟对比计算.计算结果表明,三维凸多面体骨料生成算法是可行的,能够满足混凝土三维细观力学模拟的需要.     

基于数值流形元法的混凝土力学特性数值试验

从混凝土细观结构出发,假定混凝土由砂浆、骨料界面组成的多相复合材料,以试验为基础赋予各相材料的参数模拟加载过程中从细观到宏观的力学响应。考虑各相组分的非均匀性,借助蒙特卡罗方法和Fuller级配公式,产生随机骨料模型。扩展后的二阶流形元法,可以模拟混凝土受力、变形和破坏的全过程,可以追踪多裂隙的扩展,裂缝闭合后的压剪。开裂面可利用应力结果自动搜索,而不必人为预设。利用改进的流形元进行混凝土力学特性数值试验的模拟研究,再现了混凝土单轴受压、受拉试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至破坏的过程,及其宏观应力-应变曲线的变化情况。数值模拟结果与试验统计结果相符。     

基于X 射线计算断层扫描图像的混凝土细观断裂模拟

对混凝土试块进行了X射线计算机断层扫描(XCT)原位试验,提出了基于XCT图像的细观有限元断裂模型。此模型利用微观XCT图像信息高精度地模拟混凝土中的各相组成材料,即骨料、水泥浆以及孔洞,从而考虑了真实材料的非均质性。采用零厚度黏结裂缝单元进行了断裂模拟,裂缝单元被预先嵌入到水泥砂浆中以及其与骨料的交界面处,用于表征潜在裂纹。这些裂缝单元采用应力-相对位移本构关系来表征骨料咬合、裂缝面间的摩擦以及材料的黏结等作用。对该模型进行了混凝土单轴受拉数值仿真,通过与文献中试验以及模拟结果的对比,初步证实了该方法的有效性。     

深埋隧道喷射钢纤维混凝土支护的数值模拟

为了研究钢纤维喷射混凝土在深埋隧道衬砌中的应用,了解钢纤维喷射混凝土在深井软岩隧道中的支护效果,对不同类型纤维及不同纤维含量下的钢纤维混凝土试件分别进行了抗压、劈裂抗拉、抗剪及弯曲韧性4种室内试验。在试验的基础上进行FLAC3D三维模拟。模拟结果可知:隧道经混凝土初砌后,剪切破坏区明显减少,钢纤维混凝土比普通混凝土有着更好的支护效果,顶底及两帮移近量较普通混凝土降低约7%。通过与现场实测数据的对比,证实该数值模拟结果与实测数据较为吻合,数值模拟的方法可为钢纤维混凝土在深埋隧道衬砌中的推广应用提供参考。更多还原     

大坝混凝土楔入劈拉试验的并发多尺度区域分解数值模拟

并发多尺度区域分解法应用于复合材料力学性能的多尺度数值试验研究,可在同一有限元模型中分别实现对损伤子区域的高精度细观网格剖分和对线弹性子区域的高效率宏观网格剖分。采用随机骨料模型模拟大坝混凝土细观结构,再结合并发多尺度区域分解法,建立了大坝混凝土的并发多尺度区域分解有限元模型;然后,将模型应用于全级配随机凹凸型骨料试件的楔入劈拉试验数值模拟。计算结果表明:(1)该模型能够重现大坝混凝土楔入劈拉试件的跨尺度破坏过程,计算所得的P_h-CMOD曲线以及宏观裂缝区扩展模式均与已有文献的物理试验结果相符;(2)模型的最终计算规模仅为全细观尺度有限元模型计算规模的43.18%。数值试验模拟结果与物理试验所得结果的一致性说明模型合理,此外,计算规模的减小使得模型的计算效率得到了显著提升。     

混合粗骨料混凝土性能的模型研究

该文利用并联模型和串联模型对混合粗骨料混凝土的性能进行了研究,并用试验验证。研究表明,卵石和灰岩碎石混合粗骨料混凝土的静力抗压弹性模量、抗压强度和劈裂抗拉强度随龄期的增长规律与单一品种粗骨料混凝土一致,混合粗骨料对混凝土的力学性能无不良影响,可以用于工程;串联模型和并联模型在计算混合粗骨料混凝土的静力抗压弹性模量、抗压强度、劈裂抗拉强度和线膨胀系数的偏差均小于10%,与试验值接近。其中,串联模型计算前三项性能指标更准确,而并联模型计算线膨胀系数较准确。     

锈染骨料对湿筛与全级配大坝混凝土力学性能的影响对比

为分析锈染粗骨料对大坝混凝土力学性能的影响,对比测试不同骨料工况湿筛及全级配混凝土的抗压、劈拉及轴向拉伸性能。结果表明:锈染物附着在原岩表层,厚约3~5 mm,锈染骨料的强度略低于无锈染骨料,且压载过程中存在劈裂剥离现象;锈染物降低了混凝土的力学性能,锈染骨料混凝土的抗压、劈拉及轴拉强度降低率分别在5%、10%及13%以内,但随龄期的增长而减小;全级配混凝土劈拉强度、轴拉强度及极限拉伸值分别为湿筛混凝土的70%～79%、56%～62%及56%～63%;试件断面内部特大石及大石分布相对均匀、有被拔出或拉断的情况,锈染骨料切口可见锈染物。研究成果可为锈染骨料对混凝土的性能影响评价及在大坝中的合理应用提供技术支撑。     

混凝土硫酸盐侵蚀离散元模拟初探

将普通混凝土视为水泥胶结骨料的聚集体,受硫酸盐侵蚀的过程简化为粒间胶结物的减少,将此侵蚀因素引入已有的无厚度有抗转动的颗粒胶结接触模型中并利用DEM模拟混凝土受硫酸盐的侵蚀,并与室内试验作对比分析,结果表明:该模型能够反映混凝土受硫酸盐侵蚀的作用:单轴抗压强度随反应时间的增加而减小,抗压抗蚀系数也随时间减小;试样破坏形态在初期为可见的碎块状,而在长时间的侵蚀后,破坏后的碎块较小,从表面看不到试样中的大裂隙;试样的胶结破坏以拉剪扭破坏为主。